L’EQUILIBRIO CHIMICO
Settembre 19, 2024+Consideriamo la reazione aA+ bB → cC + dD
supponiamo che questa avvenga con una velocità V1 e mantenendo costante la temperatura. Tale velocità dipende dalla concentrazione di A e di B secondo i rispettivi coefficienti stechiometrici a e b. Matematicamente possiamo scrivere che
V1= k1 [A]a [B]b
Inizialmente, la velocità è bassa ma al procedere della reazione cioè man mano che C e D si formano, nel loro movimento caotico si urtano tra loro e riformano i composti di partenza A e B. E’ chiaro che la velocità di formazione di A e B adesso dipende dalle concentrazioni di C e D formati cioè
V2 = k2 [C]c [D]d
Le due velocità sono inizialmente diverse: infatti V1 all’inizio è grande e V2 è piccola, ma al procedere della reazione V1 diminuisce e V2 aumenta sino a che i due valori diventano uguali: V1=V2. Si dice allora che il sistema è in equilibrio dinamico.
Quando ciò accade cioè quando un sistema chimico è in equilibrio come nel caso della reazione generica indicata sopra, possiamo scrivere:
k1 [A]a [B]b = k2 [C]c [D]d
che possiamo riscrivere
[C]c [D]d [A]a [B]b= k1k2
Essendo il rapporto tra due costanti una costante, si può riscrivere
[C]c [D]d[A]a [B]b= K
La costante K si definisce “ Costante di equilibrio” della reazione e si indica con Keq.
L’espressione ricavata sopra è indicata col nome di legge di Gouldberg Waage o legge di azione di massa che così si enuncia :
“il rapporto tra il prodotto delle concentrazioni della sostanze ottenute in una reazione, elevate al coefficiente stechiometrico, ed il prodotto tra le concentrazioni dei reagenti elevate al coefficiente stechiometrico è sempre costante”
Il valore della Keq ci permette di individuare se un equilibrio chimico è spostato verso la formazione dei prodotti o meno. Infatti, se Keq è grande allora il denominatore della frazione è piccolo quindi la reazione procede verso la formazione dei prodotti. Viceversa,se Keq è piccolo la reazione procede verso la formazione dei reagenti.
Se l’equilibrio riguarda sostanze gassose, spesso le loro concentrazioni sono espresse secondo le pressioni parziali e quindi le rispettive frazioni molari. Nel primo caso, la costante di equilibrio è indicata con Kp e nel secondo con Kx ma se le concentrazioni sono espresse in moli/litro allora la costante di equilibrio è indicata con Kc.
Kc e Kp e Kx sono in relazione tra loro infatti:
Relazione tra Kc e Kp
Si può dimostrare che Kp = Kc(RT)Δn
Dove Δn è uguale
∑ coefficienti dei prodotti – ∑ coefficienti reagenti
infatti, per una generica reazione
aA + bB ⇌ cC + dD
se tutti i partecipanti alla reazione sono gas, per ognuno di essi vale la legge di Dalton secondo cui ognuno contribuisce alla pressione totale a seconda della loro pressione parziale che è :
Pi x V = ni RT quindi per la generica reazione aA+ bB → cC + dD
Pa =[A]a RT in quanto pi= n/V x RT dove n/V = concentrazione in moli/litro =[composto i]
Pb=[B]bRT ecc. per cui si ha
[C]c[D]d /[A]a [B]b = Kc e [C]c RT [D]d RT /[A]a RT [B]bRT =Kp
da cui si evince che Kp = Kc (RT) (c+d ) – (a+b)
quindi Kp= Kc (RT)Δn
essendo Δn= (c+d) – (a+b)
Per esempio, se consideriamo la reazione N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2NH3(g)
Δn =2- (3+1)= – 2
Relazione tra Kx e Kp
se le concentrazioni sono espresse in frazioni molari è possibile calcolare Kp infatti
Si può dimostrare che Kp = Kx(P)Δn
dove Kx rappresenta le frazioni molari e P la pressione totale essendo
Pressione parziale = farzione mol x Ptot
Relazione tra Kc e Kx
Essendo Kp = Kc(RT)Δn e Kp = Kx(P)Δn si ha:
Kc(RT)Δn = Kx(P)Δn
Per quelle reazioni per le quali Δn = 0 come, ad esempio per la reazione:
H2 (g) + I2 (g) ⇌ 2 HI (g)
Kc = Kp = Kx
Facciamo qualche esempio:
sia la reazione
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2NH3(g)
alla temperatura di 648 K il valore ottenuto di Kp è Kp=4,3 x 10-4 . Calcoliamo Kc secondo la relazione sopra scritta:
Kp = Kc(RT)Δn
In questa reazione Δn = 2 – (1+ 3 )= -2 pertanto
4,3 x 10-4 = Kc ( 0.0821 x 648) -2 = Kc (53.2)-2
da cui
Kc = 4,3 x 10-4 /(53,2)-2 = 4,3 x 10-4 x (53,2)2 = 1,22
Kc = 4.3 x 10-4(53.2)-2= 1,22
Facciamo un altro eempio:
sia la reazione
2 SO2(g) + O2(g) ⇌ 2 SO3(g)
il valore di Kc a 727 °C è 281 qual è il valore di Kp?
In questo caso Δn = 2 – 2 -1 = -1
sappiamo che
Kp = Kc(RT)Δn
Kp = 281 ( 0.0821 x 1000)-1 = 3,43
Da ricordare sempre che che i valori di Kp e Kc dipendono dalla temperatura e che se questa varia i valori vanno calcolati per via termodinamica o sperimentale e Kp si esprime in (atm)Δn e Kc in (moli/ litro)Δn
Se Δn=0 cioè se in una reazione non si ha variazione del numero di moli allora Kp=Kc per esempio nella reazione
H2+I2⇌ 2HI oppure CO +H2O⇌CO2 + H2
